手把手教你编写游戏模拟器 - Chip8篇(2)
手把手教你编写游戏模拟器 - Chip8篇(2)
翻译整理分析：by Yiran Xie
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书接上文（手把手教你编写一个游戏模拟器 - CHIP8），下载下来的源代码包中包含了可执行文件（含glut32.dll）和源代码。源代码主要是三个文件chip8.h, chip8.cpp, main.cpp。其中chip8.h和chip8.cpp主要是对于chip8的内存、CPU指令、寄存器等等的模拟，main.cpp是用openGL接口实现主函数，包含输入系统与图像系统。
限于篇幅，这篇中主要讨论下chip8.h和chip8.cpp。
如果完整看完上一篇文章的话，这些代码应该都是小case了。很简单的类，成员变量和成员函数在文章(一)中几乎都有提及，除了一个debugRender()，是作者debug时的辅助函数，用于控制台方式输出显存中的值。
cpp文件中最长的部分就是opcode的实现，由于几乎都是参照着http://en.wikipedia.org/wiki/CHIP-8所写，所以乏善可陈。对于每条opcode，其实不需要去理解它为何要实现这个功能，只要能做到准确地实现即可。大部分opcode的难点个例在文章（一）中也都有涉及。
这里附上详细的注释
chip8.h
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Project description // Name: myChip8 // // Author: Laurence Muller // Contact: [email protected] // // License: GNU General Public License (GPL) v2 // ( http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/gpl-2.0.html ) // // Copyright (C) 2011 Laurence Muller / www.multigesture.net /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// class chip8 { public: chip8()//构造函数是空的，初始化主要是由init()完成的 ~chip8(); bool drawFlag;//用于记录是否需要绘画的标志位 void emulateCycle();//模拟周期 void debugRender();//用于debug，用控制台方式输出显存中的值 bool loadApplication(const char * filename);//把游戏rom读入内存(注意，其中包含init()) unsigned char gfx[64 * 32];//Chip8的显示缓存，总共2048个像素 unsigned char key[16];//16个按键输入 private: unsigned short pc;//程序计数器 unsigned short opcode;//当前opcode unsigned short I;//当前索引寄存器 unsigned short sp;//当前栈顶指针 unsigned char V[16];//寄存器(V0-VF)，前15个是通用寄存器，第16个是进位标志 unsigned short stack[16];//栈(16级) unsigned char memory[4096];//主内存(4k大小) unsigned char delay_timer; unsigned char sound_timer;//两个计时器 void init();//主要的初始化工作 };
chip8.cpp
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Project description // Name: myChip8 // // Author: Laurence Muller // Contact: [email protected] // // License: GNU General Public License (GPL) v2 // ( http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/gpl-2.0.html ) // // Copyright (C) 2011 Laurence Muller / www.multigesture.net /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include "chip8.h" #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <time.h> //用于显示的字体集 unsigned char chip8_fontset[80] = { 0xF0, 0x90, 0x90, 0x90, 0xF0, //0 0x20, 0x60, 0x20, 0x20, 0x70, //1 0xF0, 0x10, 0xF0, 0x80, 0xF0, //2 0xF0, 0x10, 0xF0, 0x10, 0xF0, //3 0x90, 0x90, 0xF0, 0x10, 0x10, //4 0xF0, 0x80, 0xF0, 0x10, 0xF0, //5 0xF0, 0x80, 0xF0, 0x90, 0xF0, //6 0xF0, 0x10, 0x20, 0x40, 0x40, //7 0xF0, 0x90, 0xF0, 0x90, 0xF0, //8 0xF0, 0x90, 0xF0, 0x10, 0xF0, //9 0xF0, 0x90, 0xF0, 0x90, 0x90, //A 0xE0, 0x90, 0xE0, 0x90, 0xE0, //B 0xF0, 0x80, 0x80, 0x80, 0xF0, //C 0xE0, 0x90, 0x90, 0x90, 0xE0, //D 0xF0, 0x80, 0xF0, 0x80, 0xF0, //E 0xF0, 0x80, 0xF0, 0x80, 0x80 //F }; chip8::chip8() { // empty } chip8::~chip8() { // empty } void chip8::init() { pc = 0x200; //程序计数器指向0x200（ROM将被加载到的位置） opcode = 0; //初始化当前opcode I = 0; //初始化索引寄存器 sp = 0; //初始化栈顶指针 //清理显存 for(int i = 0; i < 2048; ++i) gfx[i] = 0; //清理栈 for(int i = 0; i < 16; ++i) stack[i] = 0; //清理从V0到VF的寄存器 for(int i = 0; i < 16; ++i) key[i] = V[i] = 0; //清理内存 for(int i = 0; i < 4096; ++i) memory[i] = 0; //读取字体集到内存的0x00-0x50处 for(int i = 0; i < 80; ++i) memory[i] = chip8_fontset[i]; //初始化计时器 delay_timer = 0; sound_timer = 0; //初始化绘画标志 drawFlag = true; srand((unsigned int)time(NULL));//产生随机数种子 } void chip8::emulateCycle()//模拟周期 { //获取opcode（把两个字节合并在一起） opcode = memory[pc] << 8 | memory[pc + 1]; //处理opcode（可以参考http://en.wikipedia.org/wiki/CHIP-8） switch(opcode & 0xF000) { case 0x0000: switch(opcode & 0x000F) { case 0x0000: //0x00E0: 清理显存（全部置为0） for(int i = 0; i < 2048; ++i)//一共2048个像素，每个像素一个byte gfx[i] = 0x0; drawFlag = true; pc += 2; break; case 0x000E: //0x00EE: 从子函数返回 -- sp; //栈指针往回走一格（注意这个栈是往上生长的） pc = stack[sp]; //把PC（程序计数器）恢复成原来的值 pc += 2; //别忘了PC还要往前跳一格 break; default: printf ("Unknown opcode [0x0000]: 0x%X\n", opcode); } break; case 0x1000: //0x1NNN: 跳到NNN这个地址（不用返回），相当于jmp/goto pc = opcode & 0x0FFF;//NNN这个地址存储在低12位，通过&取出 break; case 0x2000: //0x2NNN: 调用NNN这个地址的子函数（将来需要返回） stack[sp] = pc;//把当前PC压栈 ++sp;//步进栈顶指针 pc = opcode & 0x0FFF;//跳转 break; case 0x3000: //0x3XNN: 如果VX == NN，跳过接下去的指令 if(V[(opcode & 0x0F00) >> 8] == (opcode & 0x00FF)) pc += 4; else pc += 2; break; case 0x4000: //0x4XNN: 如果VX != NN，跳过接下去的指令 if(V[(opcode & 0x0F00) >> 8] != (opcode & 0x00FF)) pc += 4; else pc += 2; break; case 0x5000: //0x5XY0: 如果VX == VY，跳过接下去的指令 if(V[(opcode & 0x0F00) >> 8] == V[(opcode & 0x00F0) >> 4]) pc += 4; else pc += 2; break; case 0x6000: //0x6XNN: VX = NN V[(opcode & 0x0F00) >> 8] = opcode & 0x00FF; pc += 2; break; case 0x7000: // 0x7XNN: VX += NN V[(opcode & 0x0F00) >> 8] += opcode & 0x00FF; pc += 2; break; case 0x8000: switch(opcode & 0x000F) { case 0x0000: // 0x8XY0: VX = VY V[(opcode & 0x0F00) >> 8] = V[(opcode & 0x00F0) >> 4]; pc += 2; break; case 0x0001: // 0x8XY1: VX = VX | VY V[(opcode & 0x0F00) >> 8] |= V[(opcode & 0x00F0) >> 4]; pc += 2; break; case 0x0002: // 0x8XY2: VX = VX & VY V[(opcode & 0x0F00) >> 8] &= V[(opcode & 0x00F0) >> 4]; pc += 2; break; case 0x0003: // 0x8XY3: VX = VX ^ VY V[(opcode & 0x0F00) >> 8] ^= V[(opcode & 0x00F0) >> 4]; pc += 2; break; case 0x0004: // 0x8XY4: VX +=VY. 如果有溢出，则把VF（进位标志）设为1，否则为0 if(V[(opcode & 0x00F0) >> 4] > (0xFF - V[(opcode & 0x0F00) >> 8])) //即VY > 255 - VX V[0xF] = 1; //出现了溢出，则把VF置为1 else V[0xF] = 0; V[(opcode & 0x0F00) >> 8] += V[(opcode & 0x00F0) >> 4];//VX += VY pc += 2; break; case 0x0005: // 0x8XY5: VX -= VY. 如果有借位发生（差小于0），VF设为0，否则设为1 if(V[(opcode & 0x00F0) >> 4] > V[(opcode & 0x0F00) >> 8]) //即VY > VX V[0xF] = 0; //有借位情况，置为0 else V[0xF] = 1; V[(opcode & 0x0F00) >> 8] -= V[(opcode & 0x00F0) >> 4];//VX -= VY pc += 2; break; case 0x0006: // 0x8XY6: VX右移一位. VF设为VX右移前的最低位 V[0xF] = V[(opcode & 0x0F00) >> 8] & 0x1;//取出最低位，给VF V[(opcode & 0x0F00) >> 8] >>= 1; pc += 2; break; case 0x0007: // 0x8XY7: VX = VY - VX. 如果有借位发生（差小于0），VF设为0，否则设为1 if(V[(opcode & 0x0F00) >> 8] > V[(opcode & 0x00F0) >> 4])//即VX > VY V[0xF] = 0; //有借位发生，置为0 else V[0xF] = 1; V[(opcode & 0x0F00) >> 8] = V[(opcode & 0x00F0) >> 4] - V[(opcode & 0x0F00) >> 8];//VX = VY - VX pc += 2; break; case 0x000E: // 0x8XYE: VX左移一位. VF设为VX左移前的最高位 V[0xF] = V[(opcode & 0x0F00) >> 8] >> 7;//取出最高位 V[(opcode & 0x0F00) >> 8] <<= 1;//左移一位 pc += 2; break; default: printf ("Unknown opcode [0x8000]: 0x%X\n", opcode); } break; case 0x9000: //0x9XY0: 跳过接下去的指令，如果VX != VY if(V[(opcode & 0x0F00) >> 8] != V[(opcode & 0x00F0) >> 4]) pc += 4; else pc += 2; break; case 0xA000: // ANNN: I = NNN I = opcode & 0x0FFF; pc += 2; break; case 0xB000: // BNNN: 跳转到 NNN + V0 pc = (opcode & 0x0FFF) + V[0]; break; case 0xC000: // CXNN: VX = random number & NN V[(opcode & 0x0F00) >> 8] = (rand() % 0xFF) & (opcode & 0x00FF); pc += 2; break; case 0xD000: // 在(VX, VY)坐标处画一个像素宽度固定为8，像素高度为N的小图案。这个图案在内存中保存于I（索引寄存器中保存的值）， //每个字节的8位刚好表示8个像素（1个像素对应1位），比如I中保存着图案第一行的8个像素，I+1保存着图案第二行的8个像素，以此类推。 //执行此opcode，并不会改变I的值。如果屏幕上任何点的状态由于此绘画从1变为了0，则VF要设为1，否则VF为0. //它会比较当前希望设置像素的值（I中的值）与当前在屏幕上显示的值（显示缓存gfx[]中的值)是否一致，如果两者不同，则置为1，否则为0。 { unsigned short x = V[(opcode & 0x0F00) >> 8]; unsigned short y = V[(opcode & 0x00F0) >> 4];//取得x,y(横纵坐标) unsigned short height = opcode & 0x000F;//取得图案的高度 unsigned short pixel; V[0xF] = 0;//初始化VF为0 for (int yline = 0; yline < height; yline++)//对于每一行 { pixel = memory[I + yline];//取得内存I处的值，pixel中包含了一行的8个像素 for(int xline = 0; xline < 8; xline++)//对于1行中的8个像素 { if((pixel & (0x80 >> xline)) != 0)//检查当前像素是否为1 { if(gfx[(x + xline + ((y + yline) * 64))] == 1)//如果显示缓存gfx[]里该像素也为1，则发生了碰撞(64是CHIP8的显示宽度) { V[0xF] = 1;//设置VF为1 } gfx[x + xline + ((y + yline) * 64)] ^= 1;//gfx中用1个byte来表示1个像素，其值为1或0。这里异或相当于取反 } } } drawFlag = true;//绘画标志置为1 pc += 2; } break; case 0xE000: switch(opcode & 0x00FF) { case 0x009E: // EX9E: 如果VX中保存的按键被按下，则跳过下条指令 if(key[V[(opcode & 0x0F00) >> 8]] != 0) pc += 4; else pc += 2; break; case 0x00A1: // EXA1: 如果VX中保存的按键没有被按下，则跳过下条指令 if(key[V[(opcode & 0x0F00) >> 8]] == 0) pc += 4; else pc += 2; break; default: printf ("Unknown opcode [0xE000]: 0x%X\n", opcode); } break; case 0xF000: switch(opcode & 0x00FF) { case 0x0007: // FX07: VX = delay计时器 V[(opcode & 0x0F00) >> 8] = delay_timer; pc += 2; break; case 0x000A: // FX0A: 如果有按键信息，存入VX { bool keyPress = false; for(int i = 0; i < 16; ++i) { if(key[i] != 0) { V[(opcode & 0x0F00) >> 8] = i; keyPress = true;//这里只存了最后一个按下的按键到VX } } //如果没有按键按下，则返回 if(!keyPress) return; pc += 2; } break; case 0x0015: // FX15: delay_timer = VX delay_timer = V[(opcode & 0x0F00) >> 8]; pc += 2; break; case 0x0018: // FX18: sound_timer = VX sound_timer = V[(opcode & 0x0F00) >> 8]; pc += 2; break; case 0x001E: // FX1E: VX += I,如有溢出(I+VX>0xFFF)则VF置为1 if(I + V[(opcode & 0x0F00) >> 8] > 0xFFF) V[0xF] = 1; else V[0xF] = 0; I += V[(opcode & 0x0F00) >> 8]; pc += 2; break; case 0x0029: // FX29: 把I设为VX中字符对应的字体集的起始位置. 字符'0'-'F'每个是由4x5的像素矩阵组成 I = V[(opcode & 0x0F00) >> 8] * 0x5; pc += 2; break; case 0x0033: // FX33: 把VX的十进制的表示存于I/I+1/I+2三个地址，其中I为百位，I+1为十位，I+2为个位。 memory[I] = V[(opcode & 0x0F00) >> 8] / 100;//取得十进制百位 memory[I + 1] = (V[(opcode & 0x0F00) >> 8] / 10) % 10;//取得十进制十位 memory[I + 2] = (V[(opcode & 0x0F00) >> 8] % 100) % 10;//取得十进制个位 pc += 2; break; case 0x0055: // FX55: 把V0-VX依次存入内存中I起始的地方 for (int i = 0; i <= ((opcode & 0x0F00) >> 8); ++i) memory[I + i] = V[i]; //在原解释器中，当这个操作完成的时候, I = I + X + 1. I += ((opcode & 0x0F00) >> 8) + 1; pc += 2; break; case 0x0065: // FX65: 把VX-VX依次设为内存中I起始的地方的值(与FX55操作相反) for (int i = 0; i <= ((opcode & 0x0F00) >> 8); ++i) V[i] = memory[I + i]; //在原解释器中，当这个操作完成的时候, I = I + X + 1. I += ((opcode & 0x0F00) >> 8) + 1; pc += 2; break; default: printf ("Unknown opcode [0xF000]: 0x%X\n", opcode); } break; default: printf ("Unknown opcode: 0x%X\n", opcode); } //计时器-- if(delay_timer > 0) -- delay_timer; //计时器-- if(sound_timer > 0) { //if(sound_timer == 1) printf("beep\n"); -- sound_timer; } } void chip8::debugRender()//用于debug，用控制台方式输出显存中的值 { for(int y = 0; y < 32; ++y) { for(int x = 0; x < 64; ++x) { if(gfx[(y*64) + x] == 0) printf("O"); else printf(" "); } printf("\n"); } printf("\n"); } bool chip8::loadApplication(const char * filename)//加载ROM（相当于代码段）到0x200的地方（见memory map） { init(); printf("Loading: %s\n", filename); //打开rom文件（rb模式下读到什么返回什么,读到文件末尾才会返回EOF） FILE * pFile = fopen(filename, "rb"); if (pFile == NULL) { fputs ("File error", stderr); return false; } //获取文件大小 fseek(pFile , 0 , SEEK_END);//把pFile的指向从文件首部移到文件尾部 long lSize = ftell(pFile);//返回文件的大小 rewind(pFile);//让pFile的重新指向头部 printf("Filesize: %d\n", (int)lSize); //新建同样大小的缓存 char * buffer = (char*)malloc(sizeof(char) * lSize); if (buffer == NULL) { fputs ("Memory error", stderr); return false; } //把ROM文件拷入缓存 size_t result = fread (buffer, 1, lSize, pFile); if (result != lSize) { fputs("Reading error",stderr); return false; } //把缓存拷入Chip8的内存的指定位置(0x200 = 512) if((4096-512) > lSize)//判断是否有足够空间读取rom（4096字节是总内存，512是存放ROM的起始位置） { for(int i = 0; i < lSize; ++i) memory[i + 512] = buffer[i]; } else printf("Error: ROM too big for memory"); //关闭文件，释放缓存 fclose(pFile); free(buffer); return true; }
main.cpp的分析请见第三篇